矿用电磁随钻伽马测井仪标定与试验_王小龙.pdf

第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY trajectory calculation; lithology identification; electromagnetic transmission; standard well testing 煤矿井下定向钻进技术是近十年发展起来的新 技术， 其已被广泛应用于煤矿井下各类钻孔施工中， 如瓦斯抽采长钻孔、探放水孔及地质勘探孔等[1-2]。 随钻测斜仪为定向钻进技术提供了“眼睛”，定向钻 机依据随钻测斜仪测量的轨迹与设计轨迹的偏差， 调整钻进姿态与方向，使得实钻轨迹尽可能顺着设 计轨迹延伸。然而，由于井下地质情况复杂多变， 煤层顶底板随煤层走势起伏变化，设计轨迹未必完 全处于目的层中， 通常实钻轨迹虽然逼近设计轨迹， 但只有部分孔段处于目的层， 导致目的层钻遇率低、 钻孔施工效果不好[1-2]。目前，为了提高目的层的钻 遇率，定向钻进需要在钻进过程中不停地人为开分 支孔，以探测煤层顶板与底板，大大降低了钻孔施 工的效率、增加了施工成本。为解决这一问题，中 煤科工集团西安研究院有限公司开发了矿用电磁随 钻伽马测井仪[1-6]，该套仪器除具有随钻测斜功能外 还具有随钻自然伽马测井功能，同时采用电磁传输 测量数据，实现孔内数据向孔口的发送。利用自然 ChaoXing 第 5 期 王小龙等 矿用电磁随钻伽马测井仪标定与试验 209 伽马测井数据可以进行岩性识别，使钻进过程中可 根据钻孔内地质情况调整钻孔轨迹，从而提高目的 层钻遇率、降低施工成本。目前煤矿井下伽马测井 尚未建立行业标准，矿用电磁随钻伽马测井仪缺乏 可以与之对比的仪器， 因此， 在石油系统的标准井中 对矿用电磁随钻伽马测井仪进行了标定测试。 本文介 绍其测试过程及结果， 建立起此套仪器在标准井中的 标准曲线， 总结了伽马测井的主要影响因素， 在此基 础上进行了煤矿井下的应用，并取得较好效果。 1 矿用电磁随钻伽马测井仪工作原理与组成 煤矿井下钻孔以近水平钻孔居多，通常钻孔孔 径较小Φ 73 mm 和 Φ 89 mm 居多，此外煤矿井下 仪器必须满足防爆要求，而在石油领域已经成熟的 测斜及自然伽马测井仪器并不能直接应用于煤矿井 下。考虑煤矿井下钻孔孔径、泥浆液压力、供电情 况及环境噪声等多方面因素，设计开发了矿用电磁 随钻伽马测井仪，其组成框图如图 1 所示。 图 1 矿用电磁随钻伽马测井仪组成框图 Fig.1 Block diagram of the composition of mine electromagnetic LWD gamma logging tool 矿用电磁随钻伽马测井仪由孔口和孔中两部分 组成，孔口部分包括深度记录仪[7]、电磁无线收发 装置、孔口显示控制器及配套的随钻监测软件[8]， 孔中部分包括孔中控制系统、无线收发装置、伽马 测井探管及测斜探管。在实际随钻作业过程中，孔 中控制器通过 RS485 通信总线得到测井数据及测斜 数据，对数据信号进行载波调制，再通过电磁传输 方式发送到孔口，孔口电磁无线收发装置将接收到 的信号进行载波解调，获得相应伽马测井及测斜数 据，通过 RS232 总线送入孔口显示控制器，随钻测 井监测软件将伽马测井数据与孔口深度测量装置送 来的深度数据通过时间进行匹配，然后进行数据处 理与解释[9-11]。钻孔测量轨迹及伽马测井曲线实时 显示在孔口显示控制器上，司钻人员可以根据钻进 情况实时调整或改变钻进状态，从而达到随钻监测 的目的。 2 伽马测井仪标定 2.1 伽马测井仪刻度 不同自然伽马仪器测量的计数率是不同的，甚 至同一仪器不同时间测量的计数率也可能不同。这 是由于仪器测得的计数率不仅与地层放射性强度有 关，同时也与仪器的电子电路、仪器结构、外壳材质、 伽马探测器的效率及钻孔尺寸等多种因素相关[12-13]。 此外，由于地层放射性具有随机性，仪器计数率本 身也存在统计起伏特性。为了进行放射性测井曲线 的定量化解释，需要去除测量仪器本身对放射性测 井曲线的影响，即需要对仪器进行刻度。在标准刻 度井中对仪器计数率进行统计，进而获得地层放射 性工程值单位 API与仪器计数值单位 CPS之间 的比例关系也称为仪器刻度系数。不同的伽马仪 器经过标准刻度井标定之后，对于同一钻孔放射性 测量就具有一致的结果。 伽马刻度井及工程值 API 标准是由美国石油学 会制定的[14-15]。美国休斯顿大学建立的自然伽马刻 度井为一级标准刻度井，自然伽马仪器在该井高放 射层和低放射层读数差值的 1/200 被定义为一个自 然伽马 API 单位。依据 API 标准，中国石油集团计 量中心建立了我国自然伽马刻度井，该井高放射层 为花岗岩，低放层为白云岩，高放射层和低放层差 值为 207.45 API。 矿用电磁随钻伽马测井仪在中国石油集团计量 中心刻度井中进行了刻度。刻度的具体过程 a. 伽马测井仪在地面预热 30 min，输出计数值 稳定； b. 伽马测井仪放入标准刻度井低放射层中测 量 30 min，获得低放射层仪器的平均计数率 nL； c. 伽马测井仪放入标准刻度井高放射层中测 量 30 min，获得高放射层仪器的平均计数率 nH； d. 计算伽马测井仪的刻度系数 k207.45/nH–nL。 ChaoXing 210 煤田地质与勘探 第 47 卷 矿用电磁随钻伽马测井仪在标准井中的测量数 据为低放射层平均计数 1.03，高放射层平均计数 70.34，刻度系数 2.98。通过刻度系数可以将伽马测 井仪采集的自然伽马计数值转换为放射性工程值。 2.2 伽马测井仪标准井测试 为验证矿用电磁随钻伽马测井仪伽马测量的准 确性与可靠性，在中国石油集团计量中心 2 号标准 井也称后村 2 号模拟试验井中进行了对比测试。 后村 2 号井自然伽马测量标准层位为 195300 m。 在后村 2 号模拟试验井的测试过程为 a. 伽马测井仪在地面预热 30 min，待输出计数 值稳定，伽马仪器与测井车进行时间同步； b. 利用测井车缆线将伽马测井仪器快速下放 到 300 m 处； c. 从 300 m 处开始上提测井， 上提速度 90 m/h， 伽马仪器采样间隔 25 cm； d. 上提到 195 m 处结束测量； e. 导出测量数据并进行处理，与该标准井的标 准伽马曲线进行对比图 2。 从图 2 可以看到，两条曲线变化趋势一致，吻 合度很高。这说明矿用电磁随钻伽马测井仪自然伽 马测量结果准确可信。此测试建立起了此套仪器在 标准井中的标准曲线，为仪器测试结果可靠性建立 了参考依据。 图 2 矿用电磁随钻伽马测井仪测量曲线与标准伽马曲线的对比 Fig.2 Comparison of the curve measured by mine electromagnetic LWD gamma logging tool and the standard gamma curve 2.3 影响伽马测井的主要因素 a. 放射性测量的统计涨落 统计涨落是放射性 元素在衰变时固有的特性。统计涨落限制了伽马测 量的精度，并可能掩盖地层特性的变化。为减小统 计涨落误差，尽可能采用大尺寸、高效率的探测器， 并采用延长采样时间等方法。 b. 仪器结构 当伽马探测器选定后，伽马仪器 的结构及探测器的安装方式、安装位置对伽马测量 有着直接的影响，为了减小仪器结构的影响，在仪 器设计阶段需要做仔细的分析与仿真。 c. 钻 铤 由于伽马探测器安装在钻铤内，钻铤 会对伽马探测器产生一定的屏蔽作用。钻铤的厚度 和密度越大，屏蔽作用越明显。因而，在设计阶段 需要仔细考虑钻铤材料及厚度的选择。在刻度时， 需要将伽马测井仪安装在钻铤内进行整体刻度，以 修正钻铤的影响。 d. 井 径 井径不同， 伽马探测器接收到的射线 粒子数量不同，伽马计数值也不同。当井径影响不 能忽略时，应考虑对井径的影响做校正。 e. 钻井液 当孔内钻井液为清水时，钻井液对 伽马测量结果的影响可以忽略不计。如果钻井液密 度很大，则会吸收一部分伽马射线；如果钻井液本 身含有放射性成分的物质，则又会放射出一些伽马 射线，影响仪器测量结果。当钻井液的影响较大时， 应考虑对钻井液的影响做校正。 3 矿用随钻伽马测井仪井下钻孔试验 矿用电磁随钻伽马测井仪经过刻度及标准井测 试后，建立起标准井中的标准曲线，后续在山西兰 花集团伯方煤矿进行了井下实钻试验。试验钻孔在 3 号煤中开孔， 3 号煤层顶板是砂质泥岩层厚约 2 m， 再往上是厚细砂岩层，3 号煤层下面是厚细砂岩层。 此次试验钻孔开孔倾角 2.7，开孔方位角 310，钻 进深度 89 m，本次随钻测量所得的钻孔轨迹投影及 伽马曲线如图 3 所示。 图3a 是伽马测量曲线， 是将测试的计数率单位 CPS根据刻度系数转换为地层放射性单位 API， 图3b上下位移是指钻孔轨迹相对于开孔点的垂直距 离，开孔点向上为正，向下为负。 根据图 3 中的轨迹与煤层顶板之间的关系， 钻孔 在煤层中延伸一段距离015 m 处进入顶板后， 在顶 板中靠近煤层顶部的地方向前延伸一段距离15 47 m 处再次进入煤层， 最终在煤层顶部靠近顶板的 地方停止钻进。 根据图 3，伽马曲线的变化可知为刚入孔进 入煤层时伽马数值较低小于 80 API， 随着轨迹靠 近顶板，数值逐渐增大90120 API，穿到顶板后 伽马数值达到最大120150 API，随着在顶板中 的延伸，伽马数值逐渐下降小于 80 API。根据已 知的地层资料，顶板岩性为砂质泥岩，从伽马数 ChaoXing 第 5 期 王小龙等 矿用电磁随钻伽马测井仪标定与试验 211 据上看，应该是进入顶板到达砂质泥岩后轨迹逐 渐下降并再次进入煤层，在煤层中伽马数值一直 稳定在较低的数值。在钻孔末端由于轨迹再次靠 近顶板，伽马数值有逐渐增加的趋势。伽马曲线 基本反映了从煤层到顶板砂质泥岩层再回到煤层 的变化趋势。 图 3 伽马测量曲线与钻孔轨迹投影 Fig.3 Gamma measurement curve and borehole trajectory projection 4 结 论 a. 矿用电磁随钻伽马测井仪，具有钻孔轨迹测 量与伽马测井的功能，采用电磁传输数据，可应用 于煤矿井下各类钻孔测量，对于顺煤层钻进煤岩界 面识别及岩性划分具有重要作用。 b. 电磁随钻伽马测井仪在中国石油集团计量 中心自然伽马刻度井和 2 号标准井进行了标定及 测试。通过标定、标准井测试及与标准伽马测井曲 线的对比， 验证了所研制电磁随钻伽马测井仪测量 的准确性与可靠性。 c. 影响伽马测井的因素较多，如放射性属性、 仪器自身及使用环境等，在实际使用中需根据工况 条件确定主要因素，通过分析仿真做到仪器的优化 设计，如需要考虑井眼尺寸及钻井液的影响时，可 通过相关校正方法减小影响。 d. 煤矿井下实钻试验表明，矿用电磁随钻伽马 测井仪各项性能指标均满足实际使用要求，可应用 于煤矿井下顺煤层定向钻进钻孔施工，为提高目的 层钻遇率服务。 参考文献 [1] 石智军，董书宁，姚宁平，等. 煤矿井下近水平随钻测量定向 钻进技术与装备[J]. 煤炭科学技术，2013，4131–6. 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